轨旁强电危害监测设备的研制与应用

阮小飞 陈洪轩 徐金鹏

轨道电路是用于自动、连续检测线路是否被机车车辆占用、钢轨是否断轨的主要设备，可提供信号给列控、微机监测等设备，是保障列车安全运行的重要设备组成。其中轨旁设备包含断路器与浪涌保护器。由于轨旁设备内断路器与钢轨存在连接回路，可能遭受到幅值较大的雷电流，或高电压、大电流的牵引回流侵入，造成现场断路器异常跳脱或浪涌保护器击穿短路等故障，导致出现“红光带”，所以需要维护作业人员前往现场排查检修。此外，现有铁路系统不具备对轨旁设备进行监测的功能，无法事先获得现场轨旁设备内包括断路器、浪涌保护器等相关设备运行状态的信息，当发生故障时，排查人员难以对故障进行迅速定位，延长了故障处理时间，且事后难以对危害源和入侵途径进行定量分析，无法给出有针对性的整治方案。

本文利用电子技术、物联技术，研制了一款带有NB-IoT窄带物联网无线数据传输的轨旁监测设备，具有对轨道电路轨旁设备的雷电信息、工频信息、断路器状态、浪涌保护器状态、设备箱盒状态等数据的实时监测功能，可对采集到的数据进行计算、处理和存储，并通过NB-IoT窄带物联网无线数据传输模组，根据触发条件进行数据的远程上传，可同时实现本地及远程故障报警，从而减少工作人员的巡线频次，提高工作效率，减少设备故障对列车正常运行的影响。

1 设备构成

轨旁监测设备的构成见图1。按照功能划分，轨旁监测设备主要由雷电、工频采集单元，开关量采集单元，供电单元，人机交互单元，通信单元，主控单元及时钟、存储单元等7部分组成。可同时实现3路雷电、2路工频信息的采集，对断路器、浪涌保护器及箱门开关状态进行实时监测，并根据需要，实现本地的数据存储及远程的数据传输，在发生故障时，及时给出报警信息。轨旁监测设备具有人机交互功能，可通过矩阵键盘或RFID模块实现设备调试、参数配置和数据查询等操作。

图1 轨旁监测设备的构成

2 功能设计

2.1 雷电、工频采集单元

雷电、工频采集单元由罗氏线圈（Rogowski Coil）、积分器、A/D转换模块、现场可编程门阵列（FPGA）组成，如图2所示。

图2 雷电、工频采集单元

考虑到轨旁监测设备的空间限制，及至少同时对3路雷电信息和2路工频信息进行采集的功能需求，本方案选用3组既可对雷电信号响应，又可对工频信号进行采集的复用罗氏线圈与积分器。罗氏线圈采集的雷击电流或工频信号通过同轴线缆传输至积分器，积分器经过处理后，通过不同的引脚进行信号输出。罗氏线圈可采集最大100 kA的雷击电流，其输出比例为500A/100 mV；对于工频电流采集的灵敏度为6.8 mV/kA（50 Hz），输出比例为200 A/1.5 V，积分器输出信号的电压抬升为2.5 V，可对雷电与工频的波形进行更完整的数据描述。

雷电流的波形周期时间短，波头时间也短，能量主要集中在100 kHz以内，因此选用10 MHz转换频率的A/D转换模块，用于将经积分器处理后的模拟信号转换成数字量。对于雷电信号及工频信号的采集，本方案加入了现场可编程门阵列（FPGA）器件。

1）对A/D转换后的雷电、工频信息进行预处理及判断，在接收到有效波形信息后，再将波形数据传输至主控单元。

2）FPGA具有高速的并行运算能力，满足了雷击电流和工频电流的瞬时采集和运算需求，可并行对3路雷电和2路工频信号进行数据采集，防止对雷电、工频信号的漏采、误采，同时也减少了主控单元MCU的资源占用。

雷击电流的采集范围为500～100 kA，工频电流的采集范围为1～200 A，经现场可编程门阵列（FPGA）处理的雷电、工频信息，最终发送至主控单元的MCU，由主控单元再进行计算、存储、上传等处理，不仅可计算出幅值，还可给出发生时间与波形数据等信息。

2.2 供电单元

由于轨旁监测设备部署在铁路沿线，应用环境恶劣、位置分散，因此难以实现有线方式供电。为了确保监测设备正常运行，本方案采用太阳能板与充电锂电池组合的形式为设备供电，并对硬件和软件均进行了优化。

1）硬件方面，在满足现场安装空间的情况下，锂电池选用容量为30 A·h的大容量可充电锂电池，输出电压为12 V，可满足设备的正常供电电压需求。选用最大功率为50 W的高效单晶太阳能板为锂电池进行充电，同时选用带PWM快充功能的太阳能控制器，增加锂电池的充电效率。

2）软件方面，在保留设备最低资源的前提下，休眠不需要的工作器件，仅在设备需要时唤醒，从而降低设备运行功耗，提高续航时间。

2.3 开关量采集单元

开关量采集单元可同时对6路开关量进行状态采集，其中3路用于采集箱门状态、断路器状态与浪涌保护器状态，剩余3路预留，便于设备扩展。这些状态信息需要实时记录并上传。考虑到现场电磁环境恶劣，对每个开关量信号采集口处设置了滤波电容与TVS管，防止采集线上的浪涌及交流干扰。开关量采集单元还专门配置了STM32L011F4P6芯片，对开关量状态信息进行专项采集、存储及上传处理，不需要唤醒主控单元，既改善了响应速度，又达到了降低功耗的目的。

2.4 人机交互单元

人机交互单元包括了状态指示灯、数码管、矩阵键盘及RFID模块。通过矩阵键盘、状态指示灯和数码管的配合操作，可实现如故障报警、雷击清零、雷击次数查看、工频过电流次数查看、断路器跳闸次数查看、数据手动上传、报警消音等操作，满足报警提示、数据查询、现场调试等需求。人机交互单元中还配置有RFID模块，通过外部射频阅读设备，实现对轨旁监测设备配置信息的读写操作，达到快速配置查询、批量修改参数的目的。在正常情况下，人机交互单元处于休眠状态，仅在箱门处于开启状态时自动激活，实现对轨旁监测设备的相关操作。

2.5 通信单元

通信单元采用NB-IoT窄带物联网无线传输技术，实现远程数据传输，NB-IoT模块采用中国移动的M5311模块，对接中国移动的OneNET物联网云平台。轨旁监测设备与OneNET云平台的信息交互过程见图3。

图3 轨旁监测设备与OneNET云平台信息交互过程

在通信过程中，轨旁监测设备的数据按照自定义的格式，通过LwM2M协议与物联网云平台进行传输。每台轨旁监测设备配备的物联网卡有唯一的IMEI（International Mobile Equipment Identity）号码，OneNET物联网云平台根据接收到的IMEI号码，对所有轨旁监测设备进行识别及数据存储。

为了尽可能降低功耗，通信单元在常规情况下处于关机状态，当现场满足数据上传条件时，主控单元MCU将其唤醒，通过NB-IoT模块完成数据的上传。该设备规定，当雷电信息、工频信息等不会影响轨道电路轨旁设备正常工作的信息变化时，可在设备满足预设的上传时间条件内，对数据信息进行统一的上传，节省设备功耗。对于如浪涌保护器状态、断路器状态、箱门状态等重要状态信息改变时，则会触发轨旁监测设备进行实时上传，做到设备故障快速响应。同时轨旁监测设备还在人机交互单元的矩阵键盘处留有“手动上传”按键，便于维护人员和调试人员的现场操作与测试。

2.6 主控单元

由于轨旁监测设备的控制逻辑较为复杂，数据量大，资源需求多，同时为保证轨旁监测设备的低功耗、高可靠、长时间稳定运行，本方案选择STM32F407VET6芯片作为轨旁监测设备的主控芯片，主控单元作为轨旁监测设备的运算核心，负责对采集的所有数据信息进行处理与存储，对故障信息进行报警提示，并完成数据上传等操作。

2.7 时钟、存储单元

时钟、存储单元包括一个带有纽扣电池的RTC实时时钟电路，与一个容量满足一个月数据存储需求的Flash电路。时钟电路可为雷电信息与工频信息提供时间数据，保证信息采集的完整性。轨旁监测设备不仅可以在物联网云平台上存储设备的全部数据信息，还在本地配有Flash存储电路，既用于存储如雷电信息与工频信息这类非即时上传的数据，也用于存储轨旁监测设备的配置信息数据，保证设备正常稳定的运行。

3 主要功能测试

采用冲击电流发生器模拟雷击电流，用来验证轨旁监测设备的主要功能，包括雷击电流采集的准确性，主控单元对雷击数据的处理能力，及轨旁监测设备与物联网云平台之间通信数据的完整性等。

冲击电流发生器的型号为I/VCS 100/60，通过冲击电流发生器对轨旁监测设备的第1路雷电采集罗氏线圈产生52 kA的冲击电流，罗氏线圈将感应到的雷击信号传输至积分器，再通过A/D转换模块、FPGA与主控单元的处理后，最终由NB-IoT模块将本次采集到的雷电信息数据上传至OneNET物联网云平台。

图4为物联网云平台接收到的数据，其中第1条数据为雷击测试数据。由数据信息可知，本次采集的雷电信息数据已完整上传至OneNET物联网云平台。其中，“'LIGHTNING'”表示信息类型为雷电信息，“'No':1”表示雷击路数为第1路，“'num':12”表 示 雷 击 次 数 为 第12次，“'time'：'2020-12-08 16∶58∶34'”表示雷击发生时间为2020年12月8日16时58分34秒，“'peak':49.6”表示雷击峰值为49.6 kA，“'wave'：”后面的数据则为本次雷击波形的数据信息，'cycle'：0.7”表示雷击波形数据采样时间间隔为0.7μs。雷击路数、雷击次数及雷击发生时间信息正确，雷击波形数据完整，采集到的雷击峰值与实验设备产生的冲击电流幅值偏差约为4.62%，在设计误差±10%范围之内。由此可见，轨旁监测设备可将雷电信息及其他监测信息上传至物联网云平台，实现对轨旁设备的远程监测与故障报警提示，解决了运维人员巡线困难及故障难以定位的实际问题。

图4 物联网云平台数据接收界面

4 结束语

针对目前铁路系统对轨旁设备运行状态不可知，发生故障难以迅速定位的问题，本文设计并研制了一款轨旁强电危害监测设备，不仅可对轨道电路轨旁设备进行监测，还可完成监测数据的远程上传及故障报警，特别是在防雷及防工频过电流方面提供了数据支持，便于事后故障分析，建立危害源的能量大小、入侵途径、入侵频率的模型，帮助技术人员提出有针对性的解决方案。

通过对轨旁监测设备的测试，发现其功能达到了预期设计效果，接下来将收集更多的现场应用数据，根据实际使用情况的反馈，对轨旁监测设备做进一步的修改与完善，早日达到现场应用要求，帮助现场运维人员解决实际问题，提高铁路运行效率。